無線服務供應商不斷地在尋求降低其基地台收發器年度營運成本的方式，因為收發器是一般基地台中最耗電的裝置。目前由大部分第三代及新興第四代網路所採用的Doherty放大器架構，其既有特性能夠在適度調整運作條件的狀況下，大幅提升放大器效率。但是，要達到最佳的效能，這些放大器須能滿足Doherty放大器特有架構新需求的射頻(RF)功率電晶體。飛思卡爾(Freescale)的第八代(HV8)LDMOS FET就已展現其能力，在既定頻寬下的非對稱Doherty放大器中達到超過50%的效益，同時還保有極佳的系統線性特質。
Doherty豎立放大器里程碑
Doherty放大器架構是一項典型的發明案例，其潛力要在問世數十年後才為眾人所體會。它是貝爾電話實驗室科學家William H. Doherty的心血結晶，Doherty曾在1930年代研發出專供越洋無線電和廣播系統使用的高功率電波發射器。當他正在研究關於改善陰極射線真空管放大器效能的技術時，發現了可以大幅提升效能的放大器架構。
該項架構的首度進行商業運用，是由西方電氣(Western Electric)於1937年為肯塔基州路易斯維爾的調幅(AM)廣播電台WHAS所製作的500仟瓦(kW)的發射器，到了1940年，西方電氣已經替全球三十五個以上的廣播電台架設Doherty放大器。該項發明在Doherty改善真空管式射頻功率放大器效能後的次年，為他贏得國際電機電子工程師學會(IEEE)的Morris N. Liebmann紀念獎。隨後又持續運用在Units(RRUs)當中，以提供更彈性化而超值的第三代行動通訊技術(3G)和第四代行動通訊技術(4G)網路配置方式，但是由於冷卻效果有限，仍然需要更佳的能源效益。
雙極電晶體是當時最普及的電晶體，但由於其Off-State阻抗偏低，因此在Doherty放大器中的表現並不好，之後橫向擴散金屬氧化物半導體(LDMOS)技術的問世則逐漸取代雙極電晶體，並立刻進占Doherty放大器。而該架構的崛起，則是由2005年第三代無線通訊系統的需求所衍生而來。
在Doherty發明該項架構的72年後，2009年國際微波討論會舉辦一個全天的活動，一門短期課程及超過二十三篇專門針對Doherty放大器的論文和討論會。今天，飛思卡爾大多數的行動電話客戶幾乎清一色地都仰賴Doherty放大器技術。
傳統的Doherty放大器實際上分成兩個放大器區塊：一個是以偏壓供AB級運作的載波放大器，另一個是以偏壓供C級運作的尖峰放大器。一具功率分壓器會將輸入訊號均分給每個放大器，彼此相隔90度的相位差。隨後經過放大的訊號會再透過四分之一波長的功率組合器，在Peaking Leg加以組合。當放大器驅動層級低於特定數值時，就只會由AB級載波放大器運作，轉換為負載阻抗，以便在此種狀況下提供最佳的高效率與增益。
當輸入訊號接近峰值時，C級尖峰放大器便會加上放大效果，以便處理最高功率輸出層級狀態，轉換為負載阻抗，讓兩個放大器都能提供最高的輸出功率，即使是在已降低平均功率層級來確保最大線性的狀況下亦然。整體結果就是放大器在一般服務的訊號狀態下非常穩定。雖然它能夠產生相當良好的效益提升效果，但是Doherty放大器的線性特質卻比一般傳統的AB級放大器來得差。不過，數位預失真線性化技術與良好的元件及放大器設計可以大幅彌補此一缺陷。
HV8展現更高效率
飛思卡爾HV8元件帶來的改善，可由針對兩種非對稱Doherty參考設計進行測量的結果得知，其中之一是900MHz，另一個是2,170MHz，測量都是在最嚴苛的分碼多重存取(CDMA)測試條件下運行。雖然基地台傳送裝置直到最近都仍使用對稱式Doherty組態，非對稱型態卻已成為多數新設計所偏好的選擇。對稱式Doherty放大器最適於在飽和輸出(P-3dB)的-6分貝(dB)輸出退讓(OBO)時產生最高效益。相較之下，非對稱式設計的彈性較佳，因為後者可以在-6～-9dB的OBO間調整尖峰效益。
元件內部與參考設計線路板上的阻抗均已經過最佳化，以便涵蓋典型基地台應用所有範圍中會出現的典型驅動條件、退縮比、效率及尖峰RF輸出功率層級。這些參考設計，以及圖解、材料費用、線路板、DXF檔案、調整訣竅和典型的RF效能參數，都由飛思卡爾的RF部門提供給放大器設計師。
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| 圖1 900MHz的GSM EDGE HV8非對稱Doherty參考設計，使用MRF8S9170N LDMOS FET作為載波放大器元件，以AB級偏壓模式運作，另外以MRF8S9200N FET為尖峰放大器元件，以極輕微的的C級偏壓條件運作。 |
960MHz版本的HV8非對稱Doherty參考設計(圖1)以MRF8S9120N LDMOS FET作為AB級偏壓模式的載波放大器，另以MRF8S9200N LDMOS FET作為微量C級偏壓條件的尖峰放大器。內部匹配28伏特(V)的MRF8S9120N在平均輸出功率33瓦(W)、頻寬3.84MHz、輸入訊號巔峰對平均電波(PAR)為7.5dB時，可提供的典型單一載波寬頻分碼多重存取(WCDMA)效能為-36dBc相鄰頻道功率比(ACPR)。典型的P-1dB輸出為120瓦CW。
MRF8S9200N在平均功率58瓦、頻寬3.84MHz、輸出訊號PAR為7.5dB時，可提供36dBc的ACPR。它在32伏特及+3dB過載條件下，以及940MHz和300瓦CW的輸出功率時，可以處理10：1的VSWR，而典型的P-1dB輸出功率則為200瓦CW。兩者都整合ESD保護和廣泛的負閘級對源級電壓範圍，以便改善C類運作。
不對稱Doherty組態內的元件組合，在-3dB增益壓縮(Psat)下創造出400瓦的輸出功率，並且在8dB的功率衰減條件下，會有50%的直流電(DC)對RF轉換效率。數位預失真(DPD)在輸出功率63瓦時的修正輸出為-58dBc ACPR。如果是7dB的OBO，該項設計所呈現的效率更可超過53%(圖2)。
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| 圖2 以900MHz已修正與未修正的RF效能作為對RF輸出的函數，顯示出在5dB動態範圍內的ACPR響應極為平坦。 |
一個2,110M～2,170MHz、通用行動電信系統(UMTS)非對稱式的Doherty放大器參考設計，使用一組MRF8S21120H LDMOS FET作為AB級偏壓模式的載波放大器，另採用MRF8S21240H LDMOS FET作為C級偏壓條件下的尖峰放大器。在平均功率28瓦、頻寬60MHz、WCDMA輸入訊號PAR為7.5dB時，MRF8S21120H可提供的典型單一載波WCDMA效能為-38dBc ACPR。在32伏特時，+3dB的過載條件和2,140MHz與160瓦的CW輸出功率下，它可以處理10：1的VSWR，典型的P-1dB輸出則為130瓦CW。
在平均功率56瓦、頻寬60MHz、WCDMA輸入訊號PAR為7.5dB時，MRF8S21240H可提供的典型單一載波WCDMA效能為-35dBc ACPR。這樣的Doherty組合在-3dB增益壓縮下可產生450瓦的輸出功率，並且在8dB的功率衰減條件下，會有50%的DC對RF轉換效率。數位預失真在輸出功率70瓦時的修正輸出為-58dBc ACPR。如果是7dB的OBO，該項設計所呈現的效率更可超過52%(圖3)。
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| 圖3 2,170MHz參考設計顯示出，在三種頻帶內的頻率所測量的平坦增益響應與高效能。 |
戮力提升效率與可靠度
飛思卡爾投注大量心力進行研發，將HV8元件效能最佳化，以便運用在以DPD技術線性化的Doherty放大器中。重要項目如負週期之振幅失真(AM-AM Distortion)和相位失真(AM-PM Distortion)、尖峰效率、尖峰功率阻抗位置以及寬頻RF掃描的特性，都會影響HV8的研發過程。HV8元件的工程設計直接提升Doherty的效率，同時在與DPD系統耦合時仍能保持良好的線性特質。
因此，在不對稱的Doherty應用中，HV8元件的效率通常比飛思卡爾之前的LDMOS元件高出4～6%，而這降低了基地台的整體每日運作費用。更重要的是，HV8造就新一代更輕巧的遠端無線單元(Remote Radio Unit, RRU)，能夠以彈性更佳、更超值的方式配置3G和4G網路，但由於冷卻效果有限，因此仍需要更高的能源效率。RRU則因為它們往往布置在相較於傳統地面基地台更難觸及之處，因此需要更佳的可靠度。
LDMOS製程則已成功應用於此一領域達15年以上，已證明其是十分可靠而紮實的RF功率放大器技術。HV8亦建立於此一基礎之上，因此也具備更佳的耐用性與長期可靠性。
飛思卡爾仍持續改進HV8系列LDMOS FET的效能，以便因應目前與未來的無線服務所面臨的挑戰。本文所述兩種參考設計的測量結果證明了改善的成果。展望未來，LDMOS Doherty架構所帶來的效能增益將會出現在每一個系統元件當中，LDMOS元件技術、電晶體元件及印刷電路板(PCB)設計元件，都可以繼續進行最佳化，以便解決3G和4G網路所面臨的挑戰。
(本文作者任職於飛思卡爾)